Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui peningkatan pemahaman konsep dan keterampilan proses sains siswa yang diajarkan menggunakan model pembelajaran langsung (Direct Instruction) dengan model pembelajaran konvensional pada materi pengklasifikasian phylum arthropoda. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen dengan desain kontrol grup tes awal dan tes akhir. Penelitian telah dilaksanakan pada kelas X1 menggunakan model pembelajaran direct instruction dan kelas X2 menggunakan model konvensional. Instrumen yang digunakan adalah instrumen tes pemahaman konsep, keterampilan proses sains dan angket. Pengumpulan data dilakukan dengan memberikan tes kemampuan awal siswa (pretes), tes kemampuan akhir siswa (postes), data peningkatan pemahaman konsep dan keterampilan proses sains (N-Gain), dan data tanggapan siswa terhadap model pembelajaran direct instruction yang diukur dengan angket. Hasil uji statistik untuk pemahaman konsep diperoleh hasil t-hitung 5,734, sedangkan untuk keterampilan proses sains diperoleh hasil t-hitung 24, 90 dengan nilai t-tabel 1,645. Kesimpulan dari penelitian ini adalah terdapat peningkatan pemahaman konsep dan keterampilan proses sains siswa yang diajarkan menggunakan model pembelajaran direct instruction dengan siswa yang diajarkan menggunakan model pembelajaran konvensional.